低温条件下复合填料协同强化A/O-BAF脱氮除磷试验研究

摘要

中国北方地区村镇污水处理技术滞后，尤其低温期污水处理效果不佳、出水多项指标难以达标。曝气生物滤池(BAF)是一种高效的生物膜污水处理技术，具有投资运行费用低、占地面积小和处理效果好等优点，非常适合村镇污水处理，但其脱氮效能受各种条件影响而不稳定，且传统生物除磷出水难以达标。本文旨在低温条件下(10～15℃)通过对比具有复合填料体系（陶粒和沸石）的BAF-A反应器与增加了富铁填料的BAF-B反应器，进行脱氮除磷效能与微生物多样性研究。试验首先对比研究两套反应器低温挂膜启动过程和对污染物的去除效能及其影响因素，以优选工艺参数，其次探究了BAF-B反应器内污染物沿程变化规律，最后分析了低温下污染物去除效能及微生物群落多样性变化。
　　两套反应器低温运行37d后，COD的去除率稳定至80％以上，NH4+-N去除率稳定在60％左右，认为挂膜启动基本完成。选取富铁填料高度(40、60、80、100cm)、水力负荷(0.25、0.50、0.75、1.00、1.25m3/(m2·h))、回流比(0、100％)进行污染物去除效能对比，继而确定较优工艺参数:水力负荷0.50m3/(m2·h)、回流比100％、气水比10∶1和富铁填料高度80cm。水温14.0℃时，BAF-B反应器对COD、NH4+-N、TN、TP和SS去除率分别可达到84.08％、96.84％、45.97％、97.52％和98.14％，且出水COD、NH4+-N、TP和SS浓度均达到一级A排放标准，特别对TN和TP的去除效果与BAF-A反应器相比有明显的提升，分别提高了10.86％和51.70％。
　　沿水流方向，SS的去除主要集中在厌氧柱内0.0～0.3m和好氧柱内2.0～2.3m填料层处;COD在好氧柱中上段和前端滤柱部分的去除效果明显;缺氧柱内TN、NO3-N和NO2-N浓度减小，NH4+-N浓度变化不大，而在好氧柱中极少量的TN可被去除，NH4+-N、NO2-N浓度呈下降趋势，NO3-N的浓度逐渐增大;TP浓度在富铁填料滤柱内下降最为明显;BAF-B反应器内pH值总体呈先增大后减小的趋势。
　　温度由14℃降低至10℃，BAF-A反应器对COD、NH4+-N、TN、TP和SS去除效果分别下降了6.72％、10.60％、1.33％、13.92％和1.44％;尽管BAF-B反应器处理效果较好，但也分别下降了7.35％、11.60％、9.49％、9.20％和4.55％。分别在温度14℃、12℃下对AL14、BL14、AL12和BL12四个样品进行硝化细菌群落多样性分析，获得2门、3纲、4目、4科、6属、12种、25个OTU。样品OTU丰度排序为:BL14＞AL12＞AL14＞BL12;群落多样性为:AL14＞AL12＞BL14＞BL12。富铁填料对物种总数影响不大，但硝化细菌多样性有所降低，而温度下降使物种总数和多样性均出现减少。
　　检测8个样品得到细菌、古菌群落28门、59纲、110目、196科、334属、502种、794个OTU。古菌多样性仅检测出广古菌门的甲烷鬃菌属，分布在AM14、BM14和AM12三个样品中。细菌菌群丰度由高到低顺序为:AM12、BM12、BU14、AU14、AL14、BM14、AM14和BL14;细菌群落多样性由高到低的顺序为: AM12、AU14、BM14、BL14、BU14、AM14、BM12和AL14。表明反应器沿水流方向上不同滤层高度的细菌群落结构及多样性均发生了一定的变化，且富铁填料使得物种总数和细菌群落的多样性有所增加，温度降低使物种丰度有所降低，而细菌群落的多样性却有所增加。
　　通过OTU聚类和不同水平的分类学分析，可见两套反应器好氧柱上部的以去除有机物类微生物数目较多，而下部以参与硝化反应的物种数量较多;富铁填料主要使硝化、反硝化等脱氮类微生物的丰度增加，而对以降解有机物为主的微生物的丰度变化有正反两个方向;温度降低对以降解有机物为主，硝化、反硝化等脱氮类微生物的微生物的丰度变化均有正反两个方向，总体上来说反方向的仍占大多数;温度的变化和富铁填料的使用两者耦合作用对各功能微生物的影响与前述分析结果类似。此外，冗余分析可得出与环境因子呈显著正相关的门类:SHA-109与TP，Gracilibacteria与TN、TP，Microgenomates与NH4+-N、COD、TN，放线菌门与TN、TP，疣微菌门与TN、TP，厚壁菌门与SS，Hydrogenedentes门与TP;而呈显著负相关的有:硝化螺旋菌门与TN、TP，衣原体与NH4+-N。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 我国水污染及其治理概况

1．1．3 寒冷地区污染治理现状

1．2 污水脱氮除磷技术

1．2．1 污水脱氮技术

1．2．2 污水除磷技术

1．2．3 脱氮除磷技术存在的问题

1．3 曝气生物滤池概述

1．3．1 BAF工艺原理及特点

1．3．2 BAF技术研究现状

1．3．3 A／O一体式曝气生物滤池

1．4 富铁填料在水处理方面的应用

1．4．1 工作原理

1．4．2 填料特性和应用

2 试验概况

2．1 课题研究目的、意义及内容

2．1．1 课题研究背景和目的

2．1．2 课题研究意义

2．1．3 主要研究内容

2．1．4 技术路线

2．2 试验用水、工艺流程及试验装置

2．2．1 试验用水

2．2．2 工艺流程

2．2．3 试验装置

2．3 化学试剂及试验材料

2．3．2 试验材料

2．4 试验方法及校准曲线

2．4．1 水质分析方法

2．4．2 水质校准曲线

2．4．3 微生物检测方法

2．4．4 相关去除率的计算方法

2．5 微生物群落多样性分析

2．5．1 样品简介

2．5．2 测序实验流程

2．5．2 生物信息分析流程

3 复合填料协同强化A／O-BAF处理效能对比研究

3．1 试验装置低温下挂膜启动研究

3．1．1 低温启动方式

3．1．2 挂膜启动完成的判断

3．1．3 挂膜启动过程污染物去除特性

3．2 富铁填料高度对污染物去除效能的影响

3．2．1 富铁填料高度对COD去除效能的影响

3．2．2 富铁填料高度对NH4+-N去除效能的影响

3．2．3 富铁填料高度对TN去除效能的影响

3．2．4 富铁填料高度对TP去除效能的影响

3．2．5 富铁填料对微生物的影响

3．3 水力负荷对污染物去除效能的影响

3．3．1 不同水力负荷下COD去除效能

3．3．2 不同水力负荷下NH4+-N去除效能

3．3．3 不同水力负荷下TN去除效能

3．3．4 不同水力负荷下TP去除效能

3．3．5 不同水力负荷下SS去除效能

3．4 回流对污染物去除效能的影响

3．4．1 回流对COD去除效能的影响

3．4．2 回流对NH4+-N去除效能的影响

3．4．3 回流对TN去除效能的影响

3．4．4 回流对TP去除效能的影响

3．4．5 回流对SS去除效能的影响

3．5 工艺参数的优化选择

3．5．1 污染物去除效能优化分析

3．5．2 较优工艺参数的确定

3．5．3 BAF-B反应器去污特性分析

3．6 本章小结

4 BAF-B反应器沿程污染物去除特性

4．1 反应器沿程污染物去除特性

4．1．1 SS去除效果沿程变化规律

4．1．2 COD去除效果沿程变化规律

4．1．3 NH4+-N去除效果沿程变化规律

4．1．4 含氮化合物浓度沿程变化规律

4．1．5 TP去除效果沿程变化规律

4．1．6 pH沿程变化规律

4．2 本章小结

5 温度对污染物去除效能的影响与硝化细菌群落多样性分析

5．1 温度对污染物去除效能的影响

5．1．1 低温条件下COD去除效能变化规律

5．1．2 低温条件下NH4+-N去除效能变化规律

5．1．3 低温条件下TN去除效能变化规律

5．1．4 低温条件下TP去除效能变化规律

5．1．5 低温条件下SS去除效能变化规律

5．2 硝化细菌群落结构及多样性分析

5．2．2 硝化细菌群落多样性的PCR扩增

5．2．3 硝化细菌群落多样性数据质控

5．2．4 物种注释及评估

5．2．5 物种组成分析

5．2．6 样本Beta多样性分析

5．2．7 样本物种差异分析

5．2．8 关联性分析

5．2．9 进化分析

5．3 本章小结

6 反应器内细菌和古菌群落多样性分析

6．2 数据质控分析

6．3 物种注释与评估

6．3．1 OTU分析

6．3．2 Alpha指数分析

6．3．3 稀释曲线

6．4 物种组成的丰度和多样性分析

6．4．1 不同滤层高度的物种分析

6．4．2 富铁填料影响下的物种分析

6．4．3 温度降低影响下的物种分析

6．4．4 富铁填料的使用和温度变化耦合作用下的物种分析

6．4．5 不同分类水平上群落组成分析

6．4．6 共线性关系图

6．4．7 功能微生物

6．5 样本比较分析

6．5．1 Beta多样性分析

6．5．2 样本分组分析

6．6 物种差异分析

6．6．1 组间显著性差异检验

6．6．2 LEfSe多级物种差异判别分析

6．7 关联性分析

6．7．1 环境因子分析

6．7．2 共线性网络分析

6．8 进化分析

6．9 本章小结

7 结论与建议

7．1 结论

7．2 建议

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果